食品添加剂木寡糖的生产纯化以及应用的最新研究进展.doc

食品添加剂木寡糖的生产纯化以及应用的最新研究进展杨蕾 刘均洪（青岛科技大学化工学院药物工程实验室，山东 青岛 266042）摘要：本文是对木寡糖的生产提纯以及生物效应最新进展的综述。木寡糖可以从多种多样含木聚糖的原材料中通过化学法或酶法制得，然后再利用物理化学方法精制。作为食物配料，木寡糖具有许多有利的技术特性，并且具有调节肠功能的能力，能导致生物前效应。除了对肠功能的作用外，其他关于木寡糖的生物活性也作了相关综述，其他内容包括木寡糖在生物合成配置方面的作用以及它们的技术特性和市场前景。关键词：木寡糖；木聚糖酶；热水处理；精制；生物效应Advances in the manufacture, purification and applicationsof xylo-oligosaccharides as food additivesAbstract: Recent developments on the manufacture, purification and biological effects of xylo-oligosaccharides are reviewed. Xylo-oligosaccharides (XO) can be produced by chemical and/or enzymatic methods from a variety of xylan-containing raw materials, and then refined by physicochemical treatments. Considered as food ingredients, xylo-oligosaccharides have favourable technological properties and cause prebiotic effects derived from their ability to modulate the intestinal function. Besides the effects related to their effects in the large bowel, a range of additional biological activities have been reported for XO. Other topic discussed include the utilization of XO in synbiotic preparations, their technological properties and market perspectives.Keywords: Xylo-oligosaccharides; Xylanases; Hydrothermal treatments; Refining; Biological effects一.概述从植物中得到的生物量是最丰富，分布最广泛的可再生原材料，这些原材料用于清洁生物燃料，生物能源以及高含量生物产品的可持续生产。来自森林，农业，闲置土地，工业，城市固体垃圾的木质纤维素材料是化学原料的潜在原料，这些材料主要是由木质素纤维素和半纤维素构成的。木质纤维素是由不同分子构成的，具有复杂的化学性质。该过程通过化学分离，遵循生物量精制原理，将主要成分进行选择性分离，从而得到多种高附加值的生物产品。最丰富的半纤维素多聚体是由木糖单元组成的木聚糖材料，木聚糖是实际应用的生物多聚体中一类巨大的资源，占双子叶木质组织以及单子叶木质组织中干生物量的25%-35%，在一些谷类组织中含量高达50%。木聚糖的结构依赖于所存在的资源，最普通的木聚糖是以14 键位主要构架的木糖构成，该结构单元常在C2 ，C3位置上被阿拉伯呋喃糖基，4O甲基葡萄糖醛酸，乙酰基或苯氧基取代1。二.木质纤维素的自动水解木寡糖是由含有木聚糖的LCM通过化学法，敏感底物的直接酶解法，或者是化学法与酶法处理相结合制得的。木寡糖直到2000年的生产和应用状况在以前已有所综述，该项目的目的是纵览同一领域内的近期发展情况，提出一条可行性方案，该方案包含至少一种水处理2（热水，压缩水或蒸汽）以导致木聚糖降解以溶解碳水化合物。当含有木聚糖的LCM 的水化过程（自动水解或热水处理）在合适的操作条件下得以进行时，半纤维素链会在水合氢离子的水解作用下分解，得到可溶性产品，然后在固相中残留具有些许化学变化的纤维素和木质素。自动水解的残留固体还可进一步加以利用，例如可以用于纤维素的酶解，还可用于饲料，燃料或者用于结构材料。在该领域木质纤维素产出多产品的过程具有良好的经济前景，并有效降低了温室气体的排放量。水解反应得到的主要可溶性产品通常指的是寡糖，这些寡糖的DP范围通常在310之间，分子量较大的可用作食用纤维，木聚糖与木寡糖降解产品的主要化学区别是DP，而DP在食品研究中被作为寡糖。近来研究发现，对许多木材进行化学处理可以生产木寡糖，包括谷物残渣，甘蔗渣，硬木，玉米穗轴，裸壳，酿酒厂的残余谷物，杏核，谷物纤维，亚麻下脚料，麦杆以及竹子3。在自动水解处理过程中,木寡糖是一种传统的反应媒介物，最大浓度通过严格的条件达到，分子量分布依赖于所运用的基质以及反应条件，提高严格性的处理导致聚合度降低，同时也提高了将木寡糖分解为木糖的程度，从多种基质生产木寡糖的动力学研究最近也作了相关报道。从自动水解得到的木寡糖极具代表性，保留了天然木聚糖的主要结构特征，例如，与运用碱性物质处理过程导致的皂化作用相比，热水处理过程只造成小部分酯基的分裂4。三.木寡糖的精制经过水或蒸汽处理过程产生木寡糖以后，在反应媒介中出现许多其他的化合物，包括单糖，乙酸，萃取衍生得到的产品，原料中的酸溶木质素片断，戊糖水解得到的糠醛，可溶的无机组分，蛋白质衍生物等。为了得到食品级的木寡糖，自动水解溶液必须通过除去单糖和非糖化合物，得到木寡糖含量尽可能高的浓缩液。商业木寡糖的纯度通常为7595。木寡糖通过含有敏感木聚糖底物的酶法过程处理得以纯化。该过程在木质纤维素化学处理过程以及木聚糖酶的特殊作用下得以促进。自动水解液的纯化是一个复杂的问题，反应成分分离都需要多级处理过程,例如，在单级自动水解反应中，可溶原料中相当一部分符合易萃取化合物的范畴，（如蜡，低分子量酚，可溶性无机化合物），他们可以通过温和的水处理过程除去，而保留单纤维素聚合体性质不变，以备在严格条件下进行进一步的水解过程，基于这样的理论，两步连续的水处理过程可以得到高纯度的木寡糖或者是具有高敏度且可用于进一步精制处理的溶液。其中第一步水处理是要除去易萃取的化合物，而第二步则是要得到半纤维素的选择性溶解性。溶液的精制沉淀应用于木寡糖的精制，溶剂主要有乙醇，丙酮，异丙醇。纯化的程度及回收率依赖于所应用的溶剂和木质纤维素原材料5，它们决定了木寡糖取代方式以及稳定的非糖成分的存在几率。由于即使最小量的水也能影响衍生得到的半纤维素产品的沉淀，所以溶剂萃取过程采用同种溶剂用于沉淀，用乙醇可以得到最好的纯化效果，但回收率却不甚理想，吸附与其他处理结合用于精制木寡糖，可以从单糖中分离出寡糖，并且除去不想要的化合物。膜技术6在木寡糖的生产精制以及浓缩方面也有很好的应用，Izumi et al.应用膜技术浓缩木质纤维素的酶法水解产物，Yuan et al.应用膜技术浓缩酶解木聚糖得到的木寡糖，连续膜技术应用于浓缩和分馏木寡糖在多级纯化过程中已有应用，主要用于从乳糖中分离葡萄糖，从淀粉水解得到的单糖和寡糖中分离单糖以及从寡糖中去除单糖，寡糖的回收，牛奶中寡糖的纯化，以及含寡糖的低乳糖牛奶的生产。四.木寡糖对肠功能的作用7人类越来越了解到内脏微生物在维持主体健康方面起到很关键的作用，它们的作用不仅表现在胃肠道方面，还表现在对有规则的新陈代谢的作用，尽管对产生作用的单个菌种的信息不是太清楚，但通常认为双歧杆菌和乳酸杆菌组成了有用的内脏微生物的重要成分。当木寡糖作为饮食成分被摄入时，可以通过结肠微生物群的调节导致生物前效应，（例如，作为功能性食品的活性成分），从营养学角度来看，木寡糖是一种非消化性寡糖（NDOS）也称为短链碳水化合物（SCCS），并且显示出与其他寡糖引起的效应相关的生物效应，包括果糖，半乳糖，大豆寡糖，近来关于各种各样寡糖的生物前效应已有试验性以及综述性的报道，包括木寡糖。 作为NDOS，木寡糖在低PH胃液和消化酶的作用下无法降解，只能在大肠中代谢，碳水化合物的发酵是一项复杂的过程，因为所用菌种的代谢终产物可以用作其它菌种的底物，一些微生物可以在这些底物上生长，但不能发酵。木寡糖的前生物效应的特性与它们能刺激有效菌（双歧杆菌，乳酸杆菌）生长的特性息息相关的。多种寡糖的体外评估表明，与其他寡糖相比，木寡糖能增加双歧杆菌的数量，Crittenden et al.已报道了木寡糖作为碳源通过有效菌的选择性应用。他还发现许多双歧杆菌属和短乳杆菌能够通过运用木寡糖而高产率的生长，并且能够通过一些类杆菌属隔离群有效的发酵，而不是通过大肠杆菌，肠球菌，艰难梭菌或者是产气夹膜梭菌。最新报道表明，木寡糖的有效作用不仅表现在增加双歧杆菌和乳酸杆菌数目的能力上，也表现在能降低次级胆酸的浓缩物，它对结肠产生消极的作用，增加其剂量依赖性，具有助长肿瘤的作用，而包含木寡糖以及生理活性脂肪酸的食品添加剂在消化过程中起到减少次级胆酸的作用。 除了促进微生物生长，结肠木寡糖发酵还能产生H2，CO2,短链脂肪酸（乙酸盐，丙酸盐，丁酸盐）以及乳酸盐，这些产物还可进一步进行系统或局部的发酵，为宿主提供能量。许多关于SCFA的健康特效也有所报道，包括许多方面的进展，例如肠功能，钙吸收，脂类代谢以及结肠癌发病率的降低等。 早期的体外低DP线性木寡糖研究突出了分子量以及结构在结肠降解模式中的作用。Van Laere et al.研究了木寡糖结构在降解度方面的作用，而区别于线性木寡糖的分支木寡糖较慢的发酵导致了丁酸很高的收率，这也产生了许多有利的作用，而呋喃取代基的存在促进了有效菌的生长。Kabel.et al.研究了四种不同类型的木寡糖（乙酰化的，线性的，糠醛酸取代，阿拉伯取代的木寡糖）的发酵情况发现，线性的以及阿拉伯取代的木寡糖在前20小时内比其他两种发酵的快，而这段时间过后，所有类型木寡糖降解速率经测定基本相同。发酵结果导致细胞基质增多，SCFA和乳酸也在发酵过程中随之产生，他们的浓度随全部木寡糖的消耗而增加。发酵过程分两步，第一步主要生成乙酸盐和乳酸盐，第二步主要生成丙酸盐和丁酸盐。五.木寡糖的其他特性 作为食品配料，木寡糖显示出良好的工艺特点，包括在酸性介质中的稳定性，耐热性以及提供较低能量的能力，以及低日摄取量下重要的生物效能。木寡糖还能影响胰腺的胰岛素分泌，刺激肠道矿物质吸收，木寡糖还可通过刺激细菌生长影响大便习惯以及轻度缓泻的作用8，服用木寡糖亦可增加肠道微生物的数量从而达到治疗腹泻的作用。尽管最大允许服用剂量依个体因素差异而定，经测定，对于男性成人，每天0.12g/kg体重是适宜的。适当的木寡糖给药可以抑制病原菌的生长，从而引起结肠内发酵失调引起的紊乱，并且可以防止肠道平衡失调的发生，如便秘，肠炎，腹泻，胃炎。木寡糖对孕妇的便秘有显著疗效，并无不良反应。除了在人体健康方面的生物效应外，木寡糖还应用于医药和饲料方面。六.木寡糖的市场前景在国外，木聚糖是由日本SUNTARY公司在1989年率先生产的。此后其产量一直呈直线上升。94年产量为70t，96年为300t，98年已达400t。而我国在这方面起步较晚，九十年代末，有北京化工大学和无锡轻工业大学等多个单位进行研制，但产业化进程较慢，据报道，到目前为止国内仅有一个厂家可生产木寡糖，但产量很低，与庞大的国内需求市场相比，相形见拙。总的来讲，在木寡糖的生产上，与国外水平相比，我们的产品在纯度和产量方面差距较大，目前，Suntory公司已推出xylcollgo95P，其木寡糖含量在95以上，而我国目前商业化的木寡糖并不能达到此纯度 因此，针对目前国内木寡糖的状况，我们需加快产业化进程，同时，应探讨各种切实可行的廉价的生产方法，以尽可能地降低生产成本，增加产量，以满足不断增长的国内市场。参考文献1 Myerly RC, Nicholson MD, Katzen R, Taylor JM. 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